山大《运动控制系统》课件第4章 可逆调速控制系统和全数字调速控制器-4无环流可逆调速系统及控制系统仿真

1、2022/8/201第四章 可逆调速控制系统和全数字调速控制器本讲主要内容： 第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真第433-441讲2022/8/202第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真一、问题的提出 对于大功率系统即使很小的环流都会造成电能的巨大浪费。所以我们需要无环流可逆调速控制系统。 环流的存在不仅增大控制系统的初次投资(增加抑制环流的电抗器)，还会增大控制系统的体积。为了降低控制系统的投资成本，减少控制系统的占地面积，所以我们也需要无环流可逆调速控制系统。2022/8/203第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真一、问题的提出 逻辑无环流可逆调速系统无环流可逆调速系统 错位

2、无环流可逆调速系统 在反并联可逆线路中，当一组功率器件工作时，用逻辑电路封锁另一组功率器件的触发脉冲或信号，使它完全处于阻断状态，确保在任何情况下最多只有一组处于工作状态。这种无环流可逆调速系统称为逻辑无环流可逆调速系统。 在配合控制的反并联可逆线路中，当一组功率器件工作时，让另一组功率器件的待逆变瞬时电压不小于整流组的整流瞬时电压，这种无环流可逆调速系统称为错位控制的无环流可逆调速系统 。2022/8/204第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真一、问题的提出 逻辑无环流可逆调速系统无环流可逆调速系统 错位无环流可逆调速系统 在反并联可逆线路中，当一组功率器件工作时，用逻辑电路封锁另一组功

3、率器件的触发脉冲或信号，使它完全处于阻断状态，确保在任何情况下最多只有一组处于工作状态。这种无环流可逆调速系统称为逻辑无环流可逆调速系统。 在配合控制的反并联可逆线路中，当一组功率器件工作时，让另一组功率器件的待逆变瞬时电压不小于整流组的整流瞬时电压，这种无环流可逆调速系统称为错位控制的无环流可逆调速系统 。2022/8/205第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真一、问题的提出 逻辑无环流可逆调速系统无环流可逆调速系统 错位无环流可逆调速系统 一般在市场所能买到的可逆直流调速器多数是逻辑无环流可逆调速系统，所以逻辑无环流可逆调速系统是我们研究的重点内容。800kw直流调速器2022/8/2

4、06第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真一、问题的提出 逻辑无环流可逆调速系统无环流可逆调速系统 错位无环流可逆调速系统 一般在市场所能买到的可逆直流调速器多数是逻辑无环流可逆调速系统，所以逻辑无环流可逆调速系统是我们研究的重点内容。2022/8/207第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真一、问题的提出二、逻辑控制装置的设计过程1、逻辑无环流可逆调速控制系统需要解决的主要问题 假设控制正、反两组工作的信号分别是：UF、UR 。 那么根据逻辑无环流的定义所设计出的逻辑无环流可逆调速系统在任何情况下都表现出一个典型不可逆调速系统的特征。 UF=1UR=0UF=0UR=12022/8/208

5、第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真一、问题的提出二、逻辑控制装置的设计过程1、逻辑无环流可逆调速控制系统需要解决的主要问题 因此研究逻辑无环流可逆调速系统的构造，关键在于研究设计逻辑控制装置的具体结构。2022/8/209第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真一、问题的提出二、逻辑控制装置的设计过程1、逻辑无环流可逆调速控制系统需要解决的主要问题 因此研究逻辑无环流可逆调速系统的构造，关键在于研究设计逻辑控制装置的具体结构。2022/8/20101、逻辑无环流可逆调速控制系统需要解决的主要问题2、逻辑装置的输入与输出信号规定：UF：控制正组开放与封锁的信号； UR：控制反组开放与封锁信

6、号。 逻辑控制装置的(数字)输入信号的个数最少是两个。 因为输出是两个数字信号，要想使逻辑控制装置的输出信号有唯一解，逻辑控制装置的(数字)输入信号的个数最少是两个。 问题在于输入信号需要什么样的输入信号？二、逻辑控制装置的设计过程2022/8/20111、逻辑无环流可逆调速控制系统需要解决的主要问题2、逻辑装置的输入与输出信号规定：UF：控制正组开放与封锁的信号； UR：控制反组开放与封锁信号。 逻辑控制装置的(数字)输入信号的个数最少是两个。 因为输出是两个数字信号，要想使逻辑控制装置的输出信号有唯一解，逻辑控制装置的(数字)输入信号的个数最少是两个。 问题在于输入信号需要什么样的输入信号

7、？二、逻辑控制装置的设计过程2022/8/2012二、逻辑控制装置的设计过程2、逻辑装置的输入与输出信号 逻辑无环流可逆调速系统可能运行的工作状态由如下四种情况组成： 当控制系统从正向起动到正向稳定运行 当控制系统需要正向制动时，从正向稳定运行到转速等于零当控制系统从反向起动到反向稳定运行当控制系统需要反向制动时，从反向稳定运行到转速等于零2022/8/2013二、逻辑控制装置的设计过程2、逻辑装置的输入与输出信号 逻辑无环流可逆调速系统可能运行的工作状态由如下四种情况组成： 当控制系统从正向起动到正向稳定运行 当控制系统需要正向制动时，从正向稳定运行到转速等于零当控制系统从反向起动到反向稳定

8、运行当控制系统需要反向制动时，从反向稳定运行到转速等于零2022/8/2014二、逻辑控制装置的设计过程2、逻辑装置的输入与输出信号 当控制系统从正向起动到正向稳定运行 开正组，封反组2022/8/2015二、逻辑控制装置的设计过程2、逻辑装置的输入与输出信号 当控制系统从正向起动到正向稳定运行 开正组，封反组2022/8/2016二、逻辑控制装置的设计过程2、逻辑装置的输入与输出信号 逻辑无环流可逆调速系统可能运行的工作状态由如下四种情况组成： 当控制系统从正向起动到正向稳定运行 当控制系统需要正向制动时，从正向稳定运行到转速等于零当控制系统从反向起动到反向稳定运行当控制系统需要反向制动时，

9、从反向稳定运行到转速等于零2022/8/2017二、逻辑控制装置的设计过程2、逻辑装置的输入与输出信号 逻辑无环流可逆调速系统可能运行的工作状态由如下四种情况组成： 当控制系统从正向起动到正向稳定运行 当控制系统需要正向制动时，从正向稳定运行到转速等于零当控制系统从反向起动到反向稳定运行当控制系统需要反向制动时，从反向稳定运行到转速等于零2022/8/2018二、逻辑控制装置的设计过程1、逻辑装置的输入与输出信号 当控制系统需要正向制动时，从正向稳定运行到转速等于零Un2022/8/2019二、逻辑控制装置的设计过程1、逻辑装置的输入与输出信号 当控制系统需要正向制动时，从正向稳定运行到转速等

10、于零Un2022/8/2020二、逻辑控制装置的设计过程当控制系统从正向起动到正向稳定运行 开正组，封反组当控制系统需要正向制动时，从正向稳定运行到转速等于零 当电枢电流过零时封正组，开反组2022/8/2021二、逻辑控制装置的设计过程1、逻辑装置的输入与输出信号 当控制系统从反向起动到反向稳定运行2022/8/2022二、逻辑控制装置的设计过程当控制系统从正向起动到正向稳定运行 开正组，封反组当控制系统需要正向制动时，从正向稳定运行到转速等于零 当电枢电流过零时封正组，开反组当控制系统从反向起动到反向稳定运行 封正组，开反组2022/8/2023二、逻辑控制装置的设计过程1、逻辑装置的输入

11、与输出信号 当控制系统需要反向制动时，从反向稳定运行到转速等于零Un2022/8/2024二、逻辑控制装置的设计过程当控制系统从正向起动到正向稳定运行 开正组，封反组当控制系统需要正向制动时，从正向稳定运行到转速等于零 当电枢电流过零时封正组，开反组当控制系统从反向起动到反向稳定运行 封正组，开反组当控制系统需要反向制动时，从反向稳定运行到转速等于零 当电枢电流过零时开正组，封反组 很显然能控制逻辑输出状态的两个输入信号是：速度调节器的输出信号和电流反馈信号的过零时刻。2022/8/2025二、逻辑控制装置的设计过程输入信号和输出信号如下图所示，其中： UT：是速度调节器的输出信号（电流给定信

12、号） 数字化的表示符号，并且规定：UI：是电流反馈信号 数字化的表示符号，并且规定：2022/8/2026二、逻辑控制装置的设计过程3、输入与输出信号之间的逻辑代数关系式推导逻辑代数表达式一般有三种方法：用真值表方法最后推出的的逻辑代数关系式为：用软件自动生成方法用功能添加法2022/8/2027二、逻辑控制装置的设计过程3、输入与输出信号之间的逻辑代数关系式推导逻辑代数表达式一般有三种方法：用真值表方法最后推出的的逻辑代数关系式为：用软件自动生成方法用功能添加法2022/8/2028二、逻辑控制装置的设计过程3、输入与输出信号之间的逻辑代数关系式用功能添加法 对于关系比较简单的采用用功能添加

13、法比较方便。因为逻辑无环流可逆调速控制系统的控制装置的逻辑关系就比较简单，所以，用功能添加法推导如下： 根据前面分析的情况，可写出如下关系式： 考虑到在任何情况下最多只有一组晶闸管处于工作状态，所以这两个方程应该有如下互锁关系：2022/8/2029二、逻辑控制装置的设计过程3、输入与输出信号之间的逻辑代数关系式用功能添加法 对于关系比较简单的采用用功能添加法比较方便。因为逻辑无环流可逆调速控制系统的控制装置的逻辑关系就比较简单，所以，用功能添加法推导如下： 根据前面分析的情况，可写出如下关系式： 考虑到在任何情况下最多只有一组晶闸管处于工作状态，所以这两个方程应该有如下互锁关系：2022/8

14、/2030二、逻辑控制装置的设计过程3、输入与输出信号之间的逻辑代数关系式用功能添加法 2022/8/2031二、逻辑控制装置的设计过程3、输入与输出信号之间的逻辑代数关系式用功能添加法 如果用与非门电路来实现，只要上式的左端连续非两次就可以得到用真表推导出的结果。对于表达(1)显而易见，对于表达(2)我们现在推导如下：2022/8/2032二、逻辑控制装置的设计过程3、输入与输出信号之间的逻辑代数关系式用功能添加法 如果用与非门电路来实现，只要上式的左端连续非两次就可以得到用真表推导出的结果。对于表达(1)显而易见，对于表达(2)我们现在推导如下：2022/8/2033二、逻辑控制装置的设计

15、过程4、逻辑代数关系式的实现方法 逻辑代数关系式的实现方法到目前为止总共有两种： 采用软编程器件实现 如果调速控制系统的各个调节器都是采用可编程序控制器或单片机或可编程逻辑器件实现的，那么可将逻辑关系式添加到这些软编程器件中，反之，就不宜采用。2022/8/2034二、逻辑控制装置的设计过程4、逻辑代数关系式的实现方法 采用硬编程器件实现 如果调速控制系统的各个调节器都是采用硬编程件实现的，那么逻辑关系式可采用与非门电路来实现，如下图所示。2022/8/2035二、逻辑控制装置的设计过程 如果把我们所设计的逻辑控制装置安装在如图所示控制系统中，形成无环流可逆调速系统。如果我们按动起动按键控制系

16、统能够正常的升速并且达到稳定状态，但是制动时将会发生严重的故障，为什么呢？2022/8/2036第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真二、逻辑控制装置的设计过程 2022/8/2037第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真二、逻辑控制装置的设计过程 2022/8/2038第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真二、逻辑控制装置的设计过程 如果把我们所设计的逻辑控制装置安装在如图所示控制系统中，形成无环流可逆调速系统。当按动起动按键控制系统能够正常的升速并且达到稳定状态，但是制动时将会发生严重的故障，为什么呢？ 2022/8/2039第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真二、逻辑控制装置的

17、设计过程 如果把我们所设计的逻辑控制装置安装在如图所示控制系统中，形成无环流可逆调速系统。当按动起动按键控制系统能够正常的升速并且达到稳定状态，但是制动时将会发生严重的故障，为什么呢？ 2022/8/2040第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真二、逻辑控制装置的设计过程 问题讨论：1) 系统状态翻转时会出现两正反两组同时开放的现象 2022/8/2041第四节 无环流可逆调速系统及控制系统仿真二、逻辑控制装置的设计过程 问题讨论：1) 系统状态翻转时会出现两正反两组同时开放的现象 2022/8/2042二、逻辑控制装置的设计过程 假设，原状态为正向稳定运行，各状态情况如下图所示。如果系统需

18、要正向制动, 当UT=10逻辑控制装置的状态不发生翻转， 仅当电流降至零时出现：UI=01，就出现了先开反组，后关正组的现象如下图所示。2022/8/2043二、逻辑控制装置的设计过程 不论是否能出现故障，这种现象首先不满足逻辑无环流可逆调速控制系统的定义(注意：做工程时小心类似现象)。解决这个问题最简单的办法是加一个开延时，封锁不延时的电路。如下图所示。2022/8/2044二、逻辑控制装置的设计过程 对于如图所示的延时电路 其特点是：输入信号从“1”变“0”不延时；从“0”变“1” 延时。达到了封锁不延时，开放延时的目的。如下图所示。 此时： 电容C2的充电时间晶闸管的阻断时间2022/8

19、/2045二、逻辑控制装置的设计过程2) 制动初期本桥逆变还没有结束电流Id瞬时过零问题 2022/8/2046二、逻辑控制装置的设计过程2) 制动初期本桥逆变还没有结束电流Id瞬时过零问题 其宽度取决于电容C2的充电时间2022/8/2047二、逻辑控制装置的设计过程2) 制动初期本桥逆变还没有结束电流Id瞬时过零问题 当电枢电流比较小时产生电流断续现象导致正组提前被封锁反组提前又被开放2022/8/2048二、逻辑控制装置的设计过程2) 制动初期本桥逆变还没有结束电流Id瞬时过零问题 当电枢电流比较小时产生电流断续现象导致正组提前被封锁反组提前又被开放2022/8/2049二、逻辑控制装置

20、的设计过程2) 制动初期本桥逆变还没有结束电流Id瞬时过零问题 解决方法：制动后，当UI=1时，让UR1=1的变化不能立即引起UF1的变化，即延时封锁，就是让电枢电源真正为零之后再封锁原工作组具体实现方法如下图所示。2022/8/2050二、逻辑控制装置的设计过程 如果电容C1和C2选择适当，既能保证正常制动时不因电流断续而发生误翻转，又能保证在本组桥完全阻断后，逻辑输出状态发生可靠翻转。在正常运行期间如果负载电流变小导致电枢电流变小，逻辑切换装置装置是否发生误翻转？2022/8/2051二、逻辑控制装置的设计过程NOTES: 1）对于三相全控桥，只要在0.02/6秒内电流没有出现，就认为本桥

21、逆变就已经结束，所以对C1的充电时间不能小于0.02/6秒(判断电流真正为零的时间)。2)C2的充电时间晶闸管的阻断时间+C1的充电时间(判断电流真正为零的时间)2022/8/2052二、逻辑控制装置的设计过程 5、 逻辑装置的应用问题 输出必须加逻辑保护环节和开关管故障保护环节 正常工作时，两个输出总是相反，但是如果电路发生故障，使两个输出都为“1”将造成两组同时开放，所以为了避免出现这种故障加多“1”保护环节。如下图所示。2022/8/2053二、逻辑控制装置的设计过程 5、 逻辑装置的应用问题 输出必须加逻辑保护环节和开关管故障保护环节 只要有一个大功率开关管发生故障，在制动过程中，逻辑

22、切换电路就能误认为本桥逆变已经结束，提前进行封锁正组、开放反组的误动作，导致本桥逆变颠覆，而发生电源短路事故。 2022/8/2054二、逻辑控制装置的设计过程 5、 逻辑装置的应用问题 维修更换晶闸管时一定要校核电容C2的参数 如果电容C2的参数小于新换晶闸管的阻断时间，将会发生正反两组可控整流桥短路事故。 2022/8/2055二、逻辑控制装置的设计过程 5、 逻辑装置的应用问题 输入需要加电平检测环节，输出需要加功率放大环节 根据用户和工艺要求增加其它保护环节2022/8/2056三、逻辑控制无环流可逆调速系统的仿真波形nnI 注意：图中的电流反馈信号取自直流侧2022/8/2057三、逻辑控制无环流可逆调速系统的仿真波形nI 注意：图中的电流反馈信号取自直流侧2022/8/2058三、逻辑控制无环流可逆调速系统的仿真波形 注意：图中的电流反馈信号取自直流侧2022/8/2059三、逻辑控制无环流可逆调速系统的仿真波形2022/8/2060逻辑控制装置构造小结一个从理论上推导出来的逻辑控制装置，当遇到实际问题时，